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一體式漂浮光伏發電站子方陣優化設計

目前光伏電站發電廠區的系統接線方式存在設計、施工的隨意性,很多設計方案都帶有不同設計人員的自我習慣,而未在設計階段考慮電纜的不同敷設路徑和方法帶來的經濟效益。本文針對漂浮式發電站,從光伏發電站的關鍵設備選擇入手,詳細論述了一體式漂浮光伏發電站子方陣的典型設計方案及各個環節的優化設計,由此在一定程度達到降低光伏系統成本、走線便利、設備維護方便等優勢。

原方案介紹

原方案發電容量為10 MW,采用漂浮式方案。通過技術與經濟綜合比較,光伏組件選用多晶硅光伏組件,并網逆變器選用1 MW 的集中式逆變器。

工程中光伏組件陣列由10 個1 MW 子系統組成。每個子系統包括1 臺1 MW 集中式逆變器,每臺逆變器并聯接入192 路光伏組串單元,每個組串由18 塊光伏組件串聯組成。輸入防雷匯流箱經電纜接入逆變器直流側,然后經并網逆變器逆變后的三相交流電經電纜引至35 kV 箱式升壓變壓器( 箱式升壓變電器) 配電裝置升壓后送至220 kV 開關站的35 kV 配電室。箱式升壓變壓器與并網逆變器相鄰布置。

10 MW 光伏組件利用浮體連成一個11.5 萬m2 的“大浮島”,匯流箱放置在浮體上,匯流箱出線電纜通過浮體接到岸邊的逆變器和升壓站。具體總平面布置圖如圖1 所示,現場照片如圖2、圖3 所示。

一體式漂浮光伏發電站子方陣優化設計
一體式漂浮光伏發電站子方陣優化設計
一體式漂浮光伏發電站子方陣優化設計
優化設計

原設計方案在實施過程中暴露出較多問題,如:集中式逆變器布置于岸邊造成直流電纜過長、線損過大;每組串聯組件數量少,造成電纜數量多;電纜無固定通道,易垂入水中。針對以上問題,從主要設備選型角度考慮優化方案。

逆變器的選擇以及布置

由于原設計方案中集中式逆變器在岸邊,易造成直流電纜過長、線損過大,布線困難。故優化后的逆變器選擇組串式,選用華為60kW 逆變器SUN2000HA-60KTL,逆變器的主要參數詳見表1。

一體式漂浮光伏發電站子方陣優化設計
逆變器的位置應根據組件實際布置情況排布,并考慮減少損耗、降低施工難度、方便后期維護、降低成本等原則。

對于組串式逆變器,需考慮逆變器散熱問題,逆變器不能斜躺在浮體之上,需有專門的支架來安裝逆變器;需考慮陰影遮擋問題,支架高度不宜過高,滿足底部接線最低標準高度即可。因此,優化設計中將逆變器放置在浮島一側,盡可能減少浮體數量和線損,同時便于安全維護。圖4 是優化方案后1.6 MW 子方陣組串式逆變器相應的布置方案。

一體式漂浮光伏發電站子方陣優化設計
一體式漂浮光伏發電站子方陣優化設計
組串設計及布線

在1500 V 電壓等級下,組件組串、線纜、匯流箱數量均會減少,接線安裝成本等會有所降低;同時,設備的功率密度提升,體積減小,運輸、維護等方面工作量也減少,有利于光伏系統的優化和成本的降低。因此,選用1500 V 電壓等級的系統做如下組串設計。光伏組件串聯的數量由逆變器的最高輸入電壓、MPPT 工作電壓,以及光伏組件最大耐壓值確定;光伏組串并聯的數量由逆變器的額定容量確定。

一體式漂浮光伏發電站子方陣優化設計
現在計算單個方陣組件的串聯數量:

1)計算串聯數量。光伏組件的標準測試條件為光照強度1000 W/m2、工作溫度為25 ℃,在排除光伏組件工作溫度修正系數的影響條件下,計算光伏組件最大串聯數量Smax 和最小串聯數量

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式中,Vmpptmax 為逆變器MPPT 電壓最大值,V;Vmpptmin 為逆變器MPPT 電壓最小值,V;Voc為光伏組件的開路電壓,V;Vpm 為光伏組件的工作電壓,V。

2)輸出電壓驗算。項目所在地的光照強度為1000 W/m2、最高溫度為38 ℃,冬天日間最低組件工作溫度為-9.3 ℃。考慮組件的溫度修正系數,在串聯20~37 塊組件時,此組串的最高輸出電壓Vmax 及最低輸出電壓Vmin 為:

一體式漂浮光伏發電站子方陣優化設計

式中,N 為光伏組件的串聯數,N 取整數;Kv 為光伏組件的開路電壓溫度系數;t 為光伏組件工作條件下的極限低溫,℃;t ′ 為光伏組件工作條件下的極限高溫,℃。

由于串聯37 塊組件的最高輸出電壓Vmax 超出逆變器最大MPPT 工作電壓1450 V,通過調整串聯數發現,在串聯33塊組件時Vmax為1409 V,滿足逆變器要求。

組件串聯數量越大,匯流箱的數量將越少,各組串間并聯用的電纜長度就會減少;又因為逆變器最大耐壓為1500 V,需盡可能選取組件串聯的最大數。綜合光伏陣列布置、支架設計和電氣設計等多方面要求,本項目采用275 W多晶硅組件32 塊串聯,即單列組件串聯個數為32 塊。

為了節省電纜和線損,設計采用更合理的U型走線,具體示意圖如圖6 所示。

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浮體以及浮體組合優化設計

針對南北通道上的用于敷設電纜的浮體數量較多、成本大,電纜容易垂在水中等問題,對浮體本身功能及各種浮體之間如何布置進行優化。

一體式浮體采用模塊化設計,分主浮體、輔助浮體和連接件,組裝快速、簡單。主、輔助浮體采用一體式模型,無需金屬支架,傾角為13°,組件可直接安裝。本次方案設計對主浮體和輔助浮體增加了電纜槽。圖7、圖8 分別為主、輔助浮體圖。

一體式漂浮光伏發電站子方陣優化設計
一體式漂浮光伏發電站子方陣優化設計
浮體大布局設計采用矩形設計,主、輔助浮體之間靠連接件連接。主浮體主要是用來承載組件;無凹槽的輔助浮體作用是連接前后主浮體,有凹槽的輔助浮體主要是負責浮體左右連接,以及作為電纜通道的支撐。

為降低成本,輔助浮體采取間隔連接,既可滿足浮體組合要求,又可減少浮體數量,降低成本。而對于外圍浮體,考慮到防浪和后期維護的問題,需要滿鋪。

一體式漂浮光伏發電站子方陣優化設計
光伏專用電纜走線優化設計

目前許多漂浮項目電纜都是平鋪在浮島之上,有時甚至會跌落在水中,為了避免此類情況,本文對光伏專用電纜敷設進行了以下優化:

1) 組串內部采用U 型走線,兩排組件南北方向跨接處采用橋架板連接,電纜穿管放置在橋架板之上,具體如圖10 所示。

一體式漂浮光伏發電站子方陣優化設計
2) 在主浮體高側外延預埋螺栓,通過鋼絲連接相鄰主浮體的螺栓,電纜搭接固定在鋼絲之上,可有效避免電纜遇水,如圖11 所示。

一體式漂浮光伏發電站子方陣優化設計
太陽能雜志 吳月儀 張峰

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